一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于太陽、地屯、及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法，屬 于深空探測導(dǎo)航定位領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于月面巡視器來說，巡視器的導(dǎo)航定位是其進(jìn)行月面探測工作的前提和關(guān)鍵。 巡視器的導(dǎo)航定位主要包括確定巡視器所在的位置（一般用月表經(jīng)度和月表紳度來描述） 及巡視器的姿態(tài)信息。
[0003] 巡視器位置確定的方法主要有無線電跟蹤測量和基于下降成像的定位方法。無線 電跟蹤測量方法借助于地面=個(gè)W上測控站與巡視器上的定向天線確定巡視器到測控站 的距離，然后建立距離方程解算出巡視器在地慣坐標(biāo)系中的描述，再利用星歷信息確定巡 視器的經(jīng)紳度，該方法對地面測控條件要求較高，并且處理過程比較復(fù)雜，成本較高；基于 下降成像方法是利用探測器著陸過程中獲取的一系列CCD圖像，按照攝影測量的光束法平 差求解CCD圖像的定向參數(shù)，再結(jié)合CCD圖像求解著陸點(diǎn)的=維位置，該方法受限于CCD圖 像中是否有明顯的特征點(diǎn)。
[0004] 巡視器采用慣性和天文組合導(dǎo)航方法，即利用月表重力矢量和太陽矢量進(jìn)行姿態(tài) 確定。該方法在巡視器位置已知和慣性測量敏感器正常有效的情況下可W獲得較高精度的 姿態(tài)信息，但在位置未知或者慣性測量敏感器發(fā)生故障時(shí)，則無法獲得準(zhǔn)確姿態(tài)信息，需要 研究其他的姿態(tài)確定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于太陽、地屯、及 月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法，該方法能夠在巡視器靜止?fàn)顟B(tài)下，僅利用自身 敏感器的測量信息實(shí)現(xiàn)巡視器的位置和姿態(tài)確定。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決方案；
[0007] 一種基于太陽、地屯、及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟 如下：
[000引 （1)傾斜姿態(tài)確定
[0009] 根據(jù)巡視器本體坐標(biāo)系下的月表重力矢量、巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系下的月表重力矢 量，得到巡視器本體坐標(biāo)系相對于巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而得到巡視器的 滾動角和俯仰角，完成巡視器的傾斜姿態(tài)確定；
[0010] 似太陽矢量計(jì)算
[0011] 根據(jù)太陽矢量在月固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得到太陽矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐 標(biāo)；
[001引 做地屯、矢量計(jì)算
[0013] 根據(jù)地屯、矢量在月固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得到地屯、矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐 標(biāo)；
[0014] (4)航向及位置確定
[0015] 利用步驟（1)得到的巡視器滾動角和俯仰角，得到巡視器水平坐標(biāo)系相對于巡視 器本體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0016] 利用步驟（2)得到的太陽矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和步驟（3)得到的地 屯、矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到太陽矢量和地屯、矢量在巡視器 水平坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；通過將月固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到巡視器水平坐標(biāo)系，得到月表經(jīng)度、月表紳 度和偏航角，完成航向及位置確定。
[0017] 所述步驟（1)中巡視器本體坐標(biāo)系相對于巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系按 照3-2-1轉(zhuǎn)序或者3-1-2轉(zhuǎn)序進(jìn)行。
[0018] 所述步驟（4)中巡視器水平坐標(biāo)系定義為；原點(diǎn)位于巡視器質(zhì)屯、，而軸為巡視器 前進(jìn)方向在水平面上的投影，Yc軸在水平面上與X,軸垂直，指向巡視器的右側(cè)，Zc軸與Xk 軸、Yi；軸滿足右手定則。
[0019] 所述步驟（4)中對月表經(jīng)度、月表紳度和偏航角計(jì)算時(shí)，需對太陽矢量和地屯、矢 量的夾角進(jìn)行判斷，若夾角小于20度，則另選時(shí)機(jī)，待夾角變大后重新進(jìn)行計(jì)算。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] (1)本發(fā)明提出的巡視器位置確定方法不需要地面測站信息或探測器的下降圖 像，僅依靠巡視器自身敏感器的測量信息確定巡視器的絕對位置，該方法原理簡單，易于實(shí) 現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)巡視器長時(shí)間、長距離、高精度導(dǎo)航；
[0022] (2)本發(fā)明基于雙矢量定姿的原理，將巡視器的位置確定問題轉(zhuǎn)化為姿態(tài)確定問 題，所采用的基于=個(gè)矢量位置姿態(tài)確定方法不僅適用于月面巡視器的導(dǎo)航定位，還可W 推廣到火星等其他行星探測車的導(dǎo)航定位，適用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的巡視器位置姿態(tài)確定流程圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的巡視器各坐標(biāo)系間相對關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0027] (1)傾斜姿態(tài)確定
[002引利用巡視器配備的加速度計(jì)，可W得到巡視器所在位置處的月表重力矢量在巡視 器本體坐標(biāo)系下的表示，記為抗^紀(jì)了；
[0029] 巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系下的月表重力矢量為已知的，該里記為G、魚p) 0沉f，其 中，g〇為月球重力加速度；
[0030] 巡視器的S軸姿態(tài)角分別記為滾動角口、俯仰角0和偏航角1])，按照3-2-1的轉(zhuǎn) 序，計(jì)算得到巡視器本體坐標(biāo)系相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的方向余弦矩陣Cew，即；
[0031]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法，其特征在于，具體 實(shí)現(xiàn)步驟如下： (1) 傾斜姿態(tài)確定 根據(jù)巡視器本體坐標(biāo)系下的月表重力矢量、巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系下的月表重力矢量，得 到巡視器本體坐標(biāo)系相對于巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而得到巡視器的滾動角 和俯仰角，完成巡視器的傾斜姿態(tài)確定； (2) 太陽矢量計(jì)算 根據(jù)太陽矢量在月固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得到太陽矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； (3) 地心矢量計(jì)算 根據(jù)地心矢量在月固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得到地心矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； (4) 航向及位置確定 利用步驟（1)得到的巡視器滾動角和俯仰角，得到巡視器水平坐標(biāo)系相對于巡視器本 體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系； 利用步驟（2)得到的太陽矢量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和步驟（3)得到的地心矢 量在巡視器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到太陽矢量和地心矢量在巡視器水平 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；通過將月固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到巡視器水平坐標(biāo)系，得到月表經(jīng)度、月表煒度和 偏航角，完成航向及位置確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定 方法，其特征在于：所述步驟（1)中巡視器本體坐標(biāo)系相對于巡視器導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換關(guān)系按照3-2-1轉(zhuǎn)序或者3-1-2轉(zhuǎn)序進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定 方法，其特征在于：所述步驟（4)中巡視器水平坐標(biāo)系定義為：原點(diǎn)位于巡視器質(zhì)心，\軸 為巡視器前進(jìn)方向在水平面上的投影，\軸在水平面上與X κ軸垂直，指向巡視器的右側(cè)，Z κ 軸與Xk軸、Y κ軸滿足右手定則。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定 方法，其特征在于：所述步驟（4)中對月表經(jīng)度、月表煒度和偏航角計(jì)算時(shí)，需對太陽矢量 和地心矢量的夾角進(jìn)行判斷，若夾角小于20度，則另選時(shí)機(jī)，待夾角變大后重新進(jìn)行計(jì)算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于太陽、地心及月表重力矢量的巡視器位置姿態(tài)確定方法，實(shí)現(xiàn)步驟包括傾斜姿態(tài)確定、太陽矢量計(jì)算、地心矢量計(jì)算以及航向與位置確定。本發(fā)明首先利用月表重力矢量確定巡視器的傾斜姿態(tài)，即確定俯仰角和滾動角；然后通過星歷計(jì)算和敏感器測量得到太陽矢量和地心矢量；最后，基于雙矢量定姿原理，計(jì)算得到巡視器的航向及月表位置，即偏航角和月表經(jīng)緯度。本發(fā)明在巡視器靜止?fàn)顟B(tài)下，僅利用自身敏感器的測量信息確定巡視器的絕對位置和姿態(tài)，原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)巡視器長時(shí)間、長距離、高精度導(dǎo)航。
【IPC分類】G01C21-24
【公開號】CN104567881
【申請?zhí)枴緾N201410827871
【發(fā)明人】劉祥, 邢琰, 毛曉艷, 滕寶毅
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日